WSN

 

( Wireless Sensor Networks  )

فهرست مطالب

عنوان

دیباچه

ویژگی‌های شبکه های حسگر

ساختارهای شبکه حسگر بی سیم

فاکتورهای طراحی

ساختمان گره

منابع و مراجع

دیباچه

پیشرفت‌های اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بی‌سیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی را با توان مصرفی پایین، اندازه کوچک، قیمت مناسب و کاربری‌های گوناگون داده است. این حسگرهای کوچک که توانایی انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات مختلف محیطی بر اساس نوع حسگر، پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پیدایش ایده‌ای برای ایجاد و گسترش شبکه‌های موسوم به شبکه‌های بی‌سیم حسگر WSN شده‌اند.

یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی گره‌های حسگری است که در یک محیط به طور گسترده پخش شده و به جمع‌آوری اطلاعات از محیط می‌پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن گره‌های حسگری، از ‌قبل‌تعیین‌شده و مشخص نیست. چنین خصوصیتی این امکان را فراهم می‌آورد که بتوانیم آنها را در مکان‌های خطرناک و یا غیرقابل دسترس رها کنیم.

شبکه‌های حسگر از تعدادی حسگر کوچک در اندازه‌های یک تا دو میلیمتر ساخته شده است که به همراه یک دستگاه فرستنده و گیرنده بی‌سیم، اطلاعات را به دستگاه مرکزی به عنوان کاربر نهایی می‌فرستد. کار بر روی شبکه های حسگر در ابتدا با اهداف و کاربردهای نظامی و دفاعی آغاز شد ولی به سرعت کاربردهای بسیار دیگری نیز پیدا کرد که برخی از کاربردهای این فناوری در کاربردهای نظامی و امنیتی (کنترل نیروها و تجهیزات نظامی، تشخیص نفوذ و تجسس در محیط های جنگی)، نظارت بر محیط های داخلی و خارجی (کاربرد در ساختمان های هوشمند، کنترل ترافیک، تشخیص حوادث طبیعی، کشاورزی و نظارت های زیست محیطی)، کاربردهای صنعتی  (کنترل دقیق نیروی انسانی، پیگیری کالاهای تولیدی، نظارت بر خط تولید و حفاظت و کنترل ایمنی محیط) و کاربردهای پزشکی (مراقبت از سلامت انسان و جراحی) است. در بیانی جامع تر کاربردها را به سه دسته نظامی تجاری پزشکی تقسیم می کنیم که سیستم های ارتباطی ، فرماندهی ، شناسایی ، دیده بانی ومیدان مین هوشمند، سیستم های هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی می باشد. در کاربردهای مراقبت پزشکی سیستم های مراقبت از بیماران ناتوان که مراقبی ندارند. محیطهای هوشمند برای افراد سالخوده و شبکه ارتباطی بین مجموعه پزشکان با یکدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله کاربرد های آن است.کاربردهای تجاری طیف وسیعی از کاربردها را شامل می شود مانند سیستم های امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت، آتش سوزی(درجنگل) ، تشخیص آلودگی های زیست محیطی از قبیل آلودگی های شیمیای، میکروبی، هسته ای، سیستم های ردگیری، نظارت وکنترل وسایل نقلیه و ترافیک ، کنترل کیفیت تولیدات صنعتی، مطالعه در مورد پدیده های طبیعی مثل گردباد، زلزله، سیل، تحقیق در مورد زندگی گونه های خاص از گیاهان و جانوران و .. در برخی از کاربردها نیز شبکه حسگر بعنوان گروهی از رباتهای کوچک که با همکاری هم فعالیت خاصی را انجام می دهند استفاده میشود.

دیگر خصوصیت‌های منحصر به فرد شبکه‌های حسگری، توانایی همکاری و هماهنگی بین گره‌های حسگری است. هر گره حسگر روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامی اطلاعات خام به مرکز یا به گره‌ای که مسئول پردازش و نتیجه‌گیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازش‌های اولیه و ساده را روی اطلاعاتی که به دست آورده است، انجام می‌دهد و سپس داده‌های نیمه پردازش شده را ارسال می‌کند.

با اینکه هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه می‌کند. ‌در واقع قدرت شبکه‌های بی‌سیم حسگر در توانایی به‌کارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سرهم و سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیریابی هم‌زمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند.

گستره کاربری شبکه‌های بی‌سیم حسگر بسیار وسیع بوده و از کاربردهای کشاورزی، پزشکی ‌و صنعتی تا کاربردهای نظامی را شامل می‌شود. به عنوان مثال یکی از متداول‌ترین کاربردهای این تکنولوژی، نظارت بر یک محیط دور از دسترس است. مثلاً نشتی یک کارخانه شیمیایی در محیط وسیع کارخانه می‌تواند توسط صدها حسگر که به طور خودکار یک شبکه بی‌سیم را تشکیل می‌دهند، نظارت شده و در هنگام بروز نشت شیمیایی به سرعت به مرکز اطلاع داده شود.

در این سیستم‌ها بر خلاف سیستم‌های سیمی قدیمی، از یک سو هزینه‌های پیکربندی و آرایش شبکه کاسته می‌شود از سوی دیگر به جای نصب هزاران متر سیم فقط باید دستگاه‌های کوچکی را که تقریباً به اندازه یک سکه هستند (شکل ۱) ، را در نقاط مورد نظر قرار داد. شبکه به سادگی با اضافه کردن چند گره گسترش می‌یابد و نیازی به طراحی پیکربندی پیچیده نیست.

 

شکل۱- یک حسگر طراحی‌‌شده برای شبکه‌های WSN که به اندازه یک سکه است.

ویژگی‌های شبکه های حسگر

 

وجود برخی ویژگی ها در شبکه حسگر ، آن را از سایر شبکه های سنتی و بی سیم متمایز می کند. از آن جمله عبارتند از:

• تنگناهای سخت افزاری شامل محدودیتهای اندازة فیزیکی ، منبع انرژی ، قدرت پردازش ، ظرفیت حافظه .
• تعداد بسیار زیاد گره ها .
• چگالی بالا در توزیع گره ها در ناحیه عملیاتی .
• وجود استعداد خرابی در گره ها .
• تغییرات توپولوژی بصورت پویا و احیانا متناوب .
• استفاده از روش پخش همگانی در ارتباط بین گره ها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه
• داده محور بودن شبکه به این معنی که گره ها کد شناسایی ندارند .

 

البته این شبکه‌ها دارای یک سری ویژگی‌های عمومی نیز هستند. مهم‌ترین این ویژگی‌ها عبارت است از:

۱ -  بر خلاف شبکه‌های بی‌سیم سنتی، همه گره‌ها در شبکه‌های بی‌سیم حسگر نیازی به برقراری ارتباط مستقیم با نزدیک‌ترین برج کنترل قدرت یا ایستگاه پایه ندارند، بلکه حسگرها به خوشه‌هایی (سلول‌هایی) تقسیم می‌شوند که هر خوشه (سلول) یک سرگروه خوشه موسوم به Parent انتخاب می‌کند.

این سرگروه‌ها وظیفه جمع‌آوری اطلاعات را بر عهده دارند. جمع‌آوری اطلاعات به منظور کاهش اطلاعات ارسالی از گره‌ها به ایستگاه پایه و در نتیجه بهبود بازده انرژی شبکه انجام می‌شود. ‌البته چگونگی انتخاب سرگروه خود بحثی تخصصی است که در تئوری شبکه‌های بی‌سیم حسگر مفصلاً مورد بحث قرار می‌گیرد.

۲ – پروتکل‌های شبکه‌ای همتا به همتا یک‌سری ارتباطات مش مانند را جهت انتقال اطلاعات بین هزاران دستگاه کوچک با استفاده از روش چندجهشی ایجاد می‌کنند. معماری انطباق‌پذیر مش، قابلیت تطبیق با گره‌های جدید جهت پوشش دادن یک ناحیه جغرافیایی بزرگ‌تر را دارا است. علاوه بر این، سیستم می‌تواند به طور خودکار از دست دادن یک گره یا حتی چند گره را جبران کند.

۳ – هر حسگر موجود در شبکه دارای یک رنج حسگری است که به نقاط موجود در آن رنج احاطه کامل دارد. یکی از اهداف شبکه‌های حسگری این است که هر محل در فضای مورد نظر بایستی حداقل در رنج حسگری یک گره قرار گیرد تا شبکه قابلیت پوشش همه منطقه موردنظر را داشته باشد.

یک حسگر با شعاع حسگری r را می‌توان با یک دیسک با شعاع r مدل کرد. این دیسک نقاطی را که درون این شعاع قرار می‌گیرند، تحت پوشش قرار می‌دهد. بدیهی است که برای تحت پوشش قرار دادن کل منطقه این دیسک‌ها باید کل نقاط منطقه را بپوشانند.

با این که توجه زیادی به پوشش کامل منطقه توسط حسگرها می‌شود، احتمال دارد نقاطی تحت پوشش هیچ حسگری قرار نگیرد. این نقاط تحت عنوان حفره‌های پوششی نامیده می‌شوند. اگر تعدادی حسگر به علاوه یک منطقه هدف داشته باشیم، هر نقطه در منطقه باید طوری توسط حداقل n حسگر پوشش داده شود که هیچ حفره پوششی ایجاد نشود. شکل ۲ این موضوع را نشان می‌دهد. این موضوع لازم به ذکر است که مسأله حفره پوششی بسته به نوع کاربرد مطرح می‌گردد. در برخی کاربردها احتیاج است که درجه بالایی از پوشش جهت داشتن دقت بیشتر داشته باشیم.

 
شکل۲:

الف) حفره پوششی .                        ب) استفاده از حسگری اضافی (با ناحیه پوششی پررنگ) جهت حذف حفره پوششی

ویژگی‌های سخت‌افزاری:

همان‌طور که در شکل مشاهده می‌شود، یک گره حسگری از ۴ بخش عمده تشکیل شده است :

۱ -واحد حسگر .     ۲- واحد پردازش .    ۳- واحد دریافت و ارسال .       ۴- واحد توان.

البته بسته به کاربرد، شبکه‌های حسگر می‌توانند شامل اجزای دیگری چون: سیستم پیداکردن مکان جغرافیایی، مولد توان و بخش مربوط به حرکت در گره‌های متحرک نیز باشند. در زیر اندکی درباره بخش‌های اصلی هر حسگر توضیح می‌دهیم.

۱ – واحد‌های حسگری معمولاً از دو بخش حسگرها و مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال تشکیل می‌شوند. حسگرها بر اساس دریافت‌هایشان از پدیده مورد مطالعه، سیگنال‌های آنالوگ را تولید می‌کنند. سپس این سیگنال‌ها توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال به سیگنال دیجیتال تبدیل شده و به بخش پردازش سپرده می‌شوند.

۲ –  بخش پردازش که معمولاً با یک حافظه کوچک همراه است، همکاری گره با گره‌های دیگر را در جهت انجام وظایف محول شده به هر حسگر مدیریت می‌کند.

۳ – بخش فرستنده و گیرنده، گره را به شبکه متصل می‌کند. بخش توان نیز یکی از مهم‌ترین بخش‌های یک گره حسگری است. توان موردنیاز ممکن است با بخش‌های جمع‌آوری توان، مانند سلول‌های خورشیدی تأمین شود. به موازات تولید توان، تلاش برای کاهش مصرف توان در شبکه بسیار مهم است. صرفه جویی در مصرف توان در حالت کلی از دو طریق ممکن است. یک راه ساخت حسگرهایی با مصرف انرژی کمتر و راه دیگر به کاربردن روش‌های مدیریت توان در طراحی نرم‌افزاری شبکه است. مثلاً ارسال TDMA از نظر مصرف توان مناسب است؛ زیرا در فاصله هر شیار زمانی که اطلاعات هر حسگر ارسال نمی‌شود، حسگر در حالت انتظار که مصرف انرژی بسیار کمی دارد، قرار می‌گیرد.

روش‌های مناسب پیکربندی هندسی شبکه و یا انتخاب Parent می‌تواند مصرف انرژی را کاهش دهد. برای مطالعه جزئیات بیشتر در این باره مراجع [۴] و [۳] مناسب‌اند. همان‌طور که گفتیم هر حسگر ممکن است بخش‌های دیگری را نیز که به کاربرد خاص شبکه مربوط است دارا باشد. به عنوان نمونه، اکثر تکنیک‌های مسیریابی و وظایف حسگری نیازمند دانش دقیقی از مکان‌یابی جغرافیایی است. در نتیجه متداول است که گره‌های حسگری دارای سیستم موقعیت‌یابی نیز باشند. علاوه بر این در برخی موارد گره حسگری لازم است که متحرک باشد، لذا در مواقع لزوم بخشی نیز برای حرکت در نظر گرفته می‌شود.

تمام این زیر‌‌بخش‌ها باید در یک قالب کوچک قرار بگیرند. اندازه مورد نیاز ممکن است حتی کوچک‌تر از یک سانتی‌متر مکعب باشد. علاوه بر اندازه، محدودیت‌های فراوان دیگری نیز برای گره‌های حسگری وجود دارد؛ این گره‌ها باید توان بسیار کمی مصرف کنند، در یک محیط با چگالی بالا (از نظر تعداد گره‌ها) کار کنند، قیمت تمام شده آنها ارزان باشد، قابل رها کردن در محیط و همچنین خودکار باشند. بدون وقفه کار کنند و قابلیت سازگاری با محیط داشته باشند. در شکل ۳ساختار کلی یک گره حسگری نشان داده شده است.

شکل ۳- ساختار عمومی یک گره حسگری

 

 
به نظر می‌رسد که شبکه‌های WSN کلاس جدیدی از شبکه‌های مخابراتی را به ما معرفی کرده‌اند. این شبکه‌ها به ما این قدرت را می‌دهند که بفهمیم در یک محیط فیزیکی که حتی حضور انسانی ممکن نیست؛ چه می‌گذرد. این توانمندی مهم و منحصر به فرد با ترکیب قابلیت‌های حسگرهای الکترونیکی و فناوری‌های پیشرفته شبکه‌های مخابراتی حاصل شده است. البته پیشرفت‌های بیشتر در این حوزه منوط به انجام تحقیقات بیشتر مخصوصاً در حوزه استانداردسازی و مباحث اقتصادی است. هرچند امروزه تولید انبوه و ارزان‌قیمت تراشه‌های الکترونیکی ممکن شده است؛ اما در حال حاضر برای تولید و ایجاد شبکه‌ای کم هزینه برای کاربرد‌های صنعتی وکشاورزی و نیز توسعه بازار تجاری آن به تلاش‌های بیشتری نیاز است.

ساختارهای شبکه حسگر بی سیم

الف ) ساختار کلی :

قبل از ارائه ساختار کلی ابتدا تعدادی از تعاریف کلیدی را ذکر می کنیم.

حسگر :

وسیله ای که وجود شیئ  رخداد یک وضعیت یا مقدار یک کمیت فیزیکی را تشخیص داده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما، فشار، رطوبت، نور، شتاب سنج، مغناطیس سنج و…

کارانداز :

با تحریک الکتریکی یک عمل خاصی مانند باز و بسته کردن یک شیر یا قطع و وصل یک کلید را انجام می دهد

گره حسگر:

به گره ای  گفته می شود که فقط شامل یک یا چند حسگر باشد.

گره کارانداز:

به گره ای  گفته می شود که فقط شامل یک یا چند کارانداز باشد.

گره حسگر:

به گره ای  گفته می شود که مجهز به حسگر و کار انداز باشد.

شبکه حسگر :

شبکه ای که فقط شامل گره های حسگر باشد. این شبکه نوع خاصی از شبکه حسگراست. در کاربردهایی که هدف جمع آوری اطلاعات و تحقیق در مورد یک پدیده می باشد کاربرد دارد. مثل مطالعه روی گردبادها.

میدان حسگر:

ناحیه کاری که گره های شبکه حسگر در آن توزیع میشوند.

چاهک:

گرهی که جمع آوری داده ها را به عهده دارد. و ارتباط بین گره های حسگر و گره مدیر وظیفه را برقرار می کند.

گره مدیر وظیفه :

گرهی که یک شخصی بعنوان کاربریا مدیر شبکه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار میکند. فرامین کنترلی و پرس و جو ها  از این گره به شبکه ارسال شده و داده های جمع آوری شده به آن بر میگردد .

شبکه حسگر:

شبکه ای متشکل از گره های حسگر است که حالت کلی شبکه های مورد بحث می باشد. به عبارت دیگر شبکه حسگرشبکه ای است با تعداد زیادی گره که هر گره می تواند در حالت کلی دارای تعدادی حسگر و تعدادی کارانداز باشد. در حالت خاص یک گره ممکن است فقط حسگر یا فقط کارانداز باشد. گره ها در ناحیه ای که میدان حسگر نامیده می شود با چگالی زیاد پراکنده می شوند. یک چاهک پایش کل شبکه را بر عهده دارد. اطلاعات بوسیله چاهک جمع آوری می شود و فرامین از طریق چاهک منتشر می شود(شکل ۴را ببینید). مدیریت وظایف میتواند متمرکز یا توزیع شده باشد. بسته به اینکه تصمیم گیری برای انجام واکنش در چه سطحی انجام شود دو ساختار مختلف خودکار و نیمه خودکار وجود دارد. که ترکیب آن نیز قابل استفاده است.

 

 

ساختار خودکار : حسگر هایی که یک رخداد یا پدیده را تشخیص می دهند داده های دریافتی را به گره های کارانداز جهت پردازش و انجام واکنش مناسب ارسال می کنند. گره های کارانداز مجاور با هماهنگی با یکدیگر تصمیم گیری کرده و عمل می نمایند. در واقع هیچ کنترل متمرکزی وجود ندارد و تصمیم گیری ها بصورت محلی انجام میشود. شکل  ۵ را ببینید.

ساختار نیمه خودکار: در این ساختار داده ها توسط گره ها به سمت چاهک هدایت شده و فرمان از طریق چاهک به گره های کار انداز صادر شود. شکل  ۶ را مشاهده کنید .

 

 

شکل ۵: ساختار خودکار

 

شکل ۶: ساختار نیمه خودکار

 

 

از طرف دیگر در کاربردهای خاصی ممکن است از ساختار بخش بندی شده یا سلولی استفاده شود که در هر بخش یک سردسته وجود دارد که داده های گره های دستة خود را به چاهک ارسال می کند. در واقع هر سردسته مانند یک مدخل عمل میکند.

ب ) ساختار ارتباطی :

گره‌های حسگری همانند شکل (۴) در یک منطقه پراکنده می‌شوند. همان‌طور که قبلاً هم اشاره کردیم گره‌های حسگری دارای توانایی خودساماندهی هستند. هر کدام از این گره‌های پخش‌شده دارای توانایی جمع‌کردن اطلاعات و ارسال آنها به پایانه‌ای موسوم به sink است. این اطلاعات از یک مسیر چند مرحله‌ای که زیرساخت مشخصی ندارد به سینک فرستاده می‌شوند و سینک می‌تواند توسط لینک ماهواره یا اینترنت با گره task manager ارتباط برقرار کند.

 

شکل ۷: ساختار متداول یک شبکه حسگری

فاکتورهای طراحی

طراحی یک شبکه تحت تأثیر فاکتورهای متعددی است. این فاکتورها عبارتند از: تحمل خرابی، قابلیت گسترش، هزینه تولید، محیط کار، توپولوژی شبکه حسگری ، محدودیت‌های سخت‌افزاری ، محیط انتقال ، مصرف توان و … که در زیر به شرح آنها می‌پردازیم.

تحمل خرابی : برخی از گره‌های حسگری ممکن است از کار بیفتند یا به دلیل پایان توانشان، عمر آنها تمام شود، یا آسیب فیزیکی ببینند و از محیط تأثیر بگیرند. از کار افتادن گره‌های حسگری نباید تأثیری روی کارکرد عمومی شبکه داشته باشد. بنابراین تحمل خرابی را “توانایی برقرار نگه داشتن عملیات شبکه حسگر علی‌رغم از کار افتادن برخی از گره‌ها” تعریف می‌کنیم. ‌در واقع یک شبکه حسگر خوب با از کار افتادن تعدادی از گره‌های حسگری، به سرعت خود را با شرایط جدید (تعداد حسگرهای کمتر) وفق داده و کار خود را انجام می‌دهد.

قابلیت گسترش : تعداد گره‌های حسگری که برای مطالعه یک پدیده مورد استفاده قرار می‌گیرند، ممکن است در حدود صدها و یا هزاران گره باشد. مسلماً تعداد گره‌ها به کاربرد و دقت موردنظر بستگی دارد؛ به طوری‌ که در بعضی موارد این تعداد ممکن است به میلیون‌ها عدد نیز برسد. یک شبکه باید طوری طراحی شود که بتواند چگالی بالای گره‌های حسگری را نیز تحقق بخشد. این چگالی می‌تواند از چند گره تا چند صد گره در یک منطقه که ممکن است کمتر از ۱۰ متر قطر داشته باشد، تغییر کند.

هزینه تولید : از آنجایی که شبکه‌های حسگری از تعداد زیادی گره‌های حسگری تشکیل شده‌اند، هزینه یک گره در برآورد کردن هزینه کل شبکه بسیار مهم است. اگر هزینه یک شبکه حسگری گران‌تر از هزینه استفاده از شبکه‌های مشابه قدیمی باشد، در بسیاری موارد استفاده از آن مقرون به صرفه نیست. در نتیجه قیمت هر گره حسگری تا حد ممکن باید پایین نگه داشته شود.

تنگناهای سخت افزاری : هرگره ضمن اینکه باید کل اجزاء لازم را داشته باشد باید بحد کافی کوچک، سبک و کم حجم نیز باشد بعنوان مثال در برخی کاربردها گره یاید به کوچکی یک قوطی کبریت باشد و حتی گاهی حجم گره محدود به یک سانتیمتر مکعب است و از نظر وزن آنقدر باید سبک باشد که بتواند همراه باد در هوا معلق شود. در عین حال هر گره باید توان مصرفی بسیار کم، قیمت تمام شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد. اینها همه محدودیتهایی است که کار طراحی و ساخت گره های حسگر را با چالش مواجه میکند. ارائه طرح های سخت افزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره بخصوص قسمت ارتباط بی سیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد. پیشرفت فن آوری ساخت مدارات مجتمع با فشردگی بالا و مصرف پایین، نقش بسزایی در کاهش تنگناهای سخت افزاری خواهد داشت.

توپولوژی : توپولوژی ذاتی شبکه حسگر توپولوژی گراف است. بدلیل اینکه ارتباط گره ها  بی سیم و بصورت پخش همگانی است و هر گره با چند گره دیگر که در محدوده برد آن قرار دارد ارتباط دارد.  آلگوریتم های  کارا  در جمع آوری داده  و کاربردهای ردگیری اشیاء  شبکه را درخت پوشا در نظر می گیرند.  چون ترافیک اصولا بفرمی است که داده ها از چند گره به سمت یک گره حرکت می کند. مدیریت توپولوژی باید با دقت انجام شودیک مرحله اساسی مدیریت توپولوژی راه اندازی اولیه شبکه است گره هایی که قبلا هیچ ارتباط اولیه ای ندشته اند در هنگام جایگیری و شروع بکار اولیه باید بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. الگوریتم های مدیریت توپولوژی در راه اندازی اولیه باید امکان عضویت گره های جدید و حذف گره هایی که بدلایلی از کار می افتند را فراهم کنند. پویایی توپولوژی از خصوصیات شبکه های حسگر است که امنیت آن را به چالش می کشد. ارائه روشهای مدیریت توپولوژی پویا بطوری که موارد امنیتی را هم پوشش دهد از موضوعاتی است که جای کار زیادی دارد.

قابلیت اطمینان: هر گره ممکن است خراب شود یا در اثر رویدادهای محیطی مثل تصادف یا انفجار بکلی نابود شود یا در اثر تمام شده منبع انرژی از کار بیفتد. منظور از تحمل پذیری یا قابلیت اطمینان این است که خرابی گره ها نباید عملکرد کلی شبکه را تحت تاثیر قرار دهد. در واقع می خواهیم با استفاده از اجزای غیر قابل اطمینان یک شبکه قابل اطمینان بسازیم. برای گره k با نرخ خرابی lk قابلیت اطمینان با فرمول زیر مدل می شود. که در واقع احتمال عدم خرابی است در زمان t بشرط اینکه گره در بازة زمانی (۰،t) خرابی نداشته باشد. به این ترتیب هرچه زمان می گذرد احتمال خرابی گره بیشتر می شود.

 

مقیاس پذیری : شبکه باید هم از نظر تعداد گره و هم از نظر میزان پراکندگی گره ها، مقیاس پذیر باشد. بعبارت دیگر شبکه حسگر از طرفی باید بتواند با تعداد صدها، هزارها و حتی میلیون ها گره کار کند و از طرف دیگر، چگالی توزیع متفاوت گره ها را نیز پشتیبانی کند. چگالی طبق فرمول زیر محاسبه می شود. که بیانگر تعداد متوسط گره هایی است که در برد یک گره نوعی ( مثلا دایره ای با قطر ۱۰ متر ) قرار می گیرد.

A: مساحت ناحیه کاری         N:تعداد گره در ناحیه کاری      R: برد ارسال رادیویی است.

در بسیاری کاربردها توزیع گره ها اتفاقی صورت می گیرد و امکان توزیع با چگالی مشخص و یکنواخت وجود ندارد یا گره ها در اثر عوامل محیطی جابجا می شوند. بنابراین چگالی باید  بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغییر کند. موضوع مقیاس پذیری به روشها نیز مربوط می شود برخی روشها ممکن است مقیاس پذیر نباشد یعنی در یک چگالی یا تعداد محدود از گره کار کند. در مقابل برخی روشها مقیاس پذیر هستند

 

 

قیمت تمام شده : چون تعداد گره ها زیاد است کاهش قیمت هر تک گره اهمیت زیادی دارد. تعداد گره ها گاهی تا میلیونها میرسد. در این صورت کاهش قیمت گره حتی به مقدار کم تاثیر قابل توجهی در قیمت کل شبکه خواهد داشت.

شرایط محیطی : طیف وسیعی از کاربرد ها ی شبکه های حسگر مربوط به محیط هایی می شود که انسان نمی تواند در آن حضور داشته باشد. مانند محیط های آلوده از نظر شیمیای، میکروبی، هسته ای ویا مطالعات در کف اقیانوس ها و فضا ویا محیط های نظامی بعلت حضور دشمن ویا در جنگل و زیستگاه جانوران که حضور انسان باعث فرار آنها می شود. در هر مورد ، شرایط محیطی باید در طراحی گره ها در نظر گرفته شود مثلا در دریا و محیط های مرطوب گره حسگر در محفظه ای که رطوبت را منتقل نکند قرار می گیرد.

رسانه ارتباطی : در شبکه های حسگر ارتباط گره ها بصورت بی سیم و از طریق رسانه رادیویی، مادون قرمز، یا رسانه های نوری دیگر صورت می گیرد. اکثرا از ارتباط رادیویی استفاده می شود. البته ارتباط مادون قرمز ارزانتر و ساختنش آسانتر است ولی فقط در خط مستقیم عمل می کند.

توان مصرفی گره ها : گره های شبکه حسگر باید توان مصرفی کم داشته باشند. گاهی منبع تغذیه یک باتری ۲/۱ ولت با انرژی ۵/. آمپر ساعت است که باید توان لازم برای مدت طولانی مثلا ۹ ماه را تامین کند. در بسیاری از کاربردها باتری قابل تعویض نیست. لذا عمر باطری عملا عمر گره را مشخص می کند. بعلت اینکه یک گره علاوه بر گرفتن اطلاعات(توسط حسگر) یا اجرای یک فرمان(توسط کارانداز) بعنوان رهیاب نیز عمل می کند بد عمل کردن گره  باعث حذف آن از توپولوژی شده و سازماندهی مجدد شبکه و مسیردهی مجدد بسته عبوری را در پی خواهد داشت. در طراحی سخت افزار گره ها استفاده از طرح ها و قطعاتی که مصرف پایینی دارند و فراهم کردن امکان حالت خواب برای کل گره یا برای هر بخش بطور مجزا مهم است.

افزایش طول عمر شبکه : یک مشکل این است که عمر شبکه های حسگر نوعاً کوتاه است. چون طول عمر گره ها بعلت محدودیت انرژی منبع تغذیه کوتاه است. علاوه بر آن گاهی موقعیت ویژة یک گره در شبکه مشکل را تشدید می کند مثلاً در گره ای که در فاصل یک قدمی چاهک قرار دارد از یکطرف بخاطر بار کاری زیاد خیلی زود انرژی خود را از دست می دهد و از طرفی از کار افتادن آن باعث قطع ارتباط چاهک با کل شبکه می شود و از کار افتادن شبکه می شود. برخی راه حل ها به ساختار برمی گردد مثلا در مورد مشکل فوق استفاده از ساختار خودکار راهکار مؤثری است.(به بخش ۲ مراجعه شود) بعلت اینکه در ساختار خودکار بیشتر تصمیم گیری ها بطوری محلی انجام می شود  ترافیک انتقال از طریق گره بحرانی کم شده، طول عمر آن و در نتیجه طول عمر شبکه افزایش می یابد. مشکل تخلیه زود هنگام انرژی در مورد گره های نواحی کم تراکم  در توزیع غیر یکنواخت گره ها نیز صدق می کند (به ۴ مراجعه کنید) در اینگونه موارد داشتن یک مدیریت توان در داخل گره ها و ارائه راه حل های توان آگاه بطوری که از گره های بحرانی کمترین استفاده را بکند مناسب خواهد بود. این نوعی به اشتراک گذاری منابع محسوب می شود لذا در صورت داشتن مدیریت وظیفه و مدیریت توان مناسب توزیع با چگالی زیاد گره ها در میدان حسگر/ کارانداز طول عمر شبکه را افزایش میدهد.  ارائه الگو های ساختاری مناسب و ارائه روشهای مدیریتی و آلگوریتم ها توان آگاه با هدف افزایش طول عمر شبکه حسگر از مباحث مهم تحقیقاتی است.

ارتباط بلادرنگ و هماهنگی : در برخی کاربردها مانند سیستم تشخیص و جلوگیری از گسترش آتش سوزی یا سیستم پیش گیری از سرقت سرعت پاسخگویی شبکه اهمیت زیادی دارد. در نمایش بلادرنگ فشار بر روی مانیتور  بسته های ارسالی باید بطور لحظه ای روزآمد باشند. برای تحقق بلادرنگ یک روش این است که برای بسته های ارسالی یک ضرب العجل تعیین شود و در لایه کنترل دسترسی رسانه بسته های با ضرب العجل کوتاهتر زودتر ارسال شوند مدت ضرب العجل به کاربرد بستگی دارد. مسئلة مهم دیگر تحویل گزارش رخدادها به چاهک، یا کارانداز ناحیه، به ترتیب وقوع آنهاست در غیر این صورت ممکن است شبکه واکنش درستی انجام ندهد. نکته دیگر هماهنگی کلی شبکه در ارتباط با گزارشهایی است که در مورد یک رخداد از حسگرهای مختلف به کاراندازهای ناحیه مربوطه داده می شود. بعنوان مثال در یک کاربرد نظامی فرض کنید حسگرهایی جهت تشخیص حضور یگان های پیاده دشمن و کاراندازهایی جهت نابودی آن در نظر گرفته شده چند حسگر حضور دشمن را به کار اندازها اطلاع می دهند شبکه باید در کل منطقه، عملیات را به یکباره شروع کند. در غیر این صورت با واکنش اولین کارانداز، سربازان دشمن متفرق شده و عملیات با شکست مواجه می شود. بهرحال موضوع بلادرنگ و هماهنگی در شبکه های حسگربخصوص در مقیاس بزرگ و شرایط نامطمئن از مباحث تحقیقاتی است.

امنیت و مداخلات : موضوع امنیت در برخی کاربردها بخصوص در کاربرد های نظامی یک موضوع بحرانی است و بخاطر برخی ویژگی ها شبکه های حسگر در مقابل مداخلات آسیب پذیر ترند. یک مورد بی سیم بودن ارتباط شبکه است که کار دشمن را برای فعالیت های ضد امنیتی و مداخلات آسانتر می کند. مورد دیگر استفاده از یک فرکانس واحد ارتباطی برای کل شبکه است که شبکه را در مقابل استراق سمع آسیب پذیر می کند. مورد بعدی ویژگی پویایی توپولوژی است که زمینه را برای پذیرش گره های دشمن فراهم می کند. اینکه پروتکل های مربوط به مسیردهی، کنترل ترافیک و لایه کنترل دسترسی شبکه سعی دارند با هزینه و سربار کمتری کار کنند مشکلات امنیتی بوجود می آورد مثلا برای شبکه های حسگر در مقیاس بزرگ برای کاهش تأخیر بسته هایی که در مسیر طولانی در طول شبکه حرکت می کنند یک راه حل خوب این است که اولویت مسیردهی به بسته های عبوری داده شود. همین روش باعث می شود حمله های سیلی مؤثرتر باشد. یکی از نقاط ضعف شبکه حسگرکمبود منبع انرژی است و دشمن می تواند با قرار دادن یک گره مزاحم که مرتب پیغام های بیدار باش بصورت پخش همگانی با انرژی زیاد تولید می کند باعث شود بدون دلیل گره های همسایه از حالت خواب خارج شوند. ادامة این روند باعث به هدر رفتن انرژی گره ها شده و عمر آنها را کوتاه می کند. با توجه به محدودیت ها باید دنبال راه حل های ساده و کارا مبتنی بر طبیعت شبکه حسگر بود. مثلا اینکه گره ها با چگالی بالا می توانند توزیع شوند و هر گره دارای اطلاعات کمی است یا اینکه داده ها در یک مدت کوتاه معتبرند از این ویژگی ها  می توان بعنوان یک نقطه قوت در رفع مشکلات امنیتی استفاده کرد. اساسا‏ً چالشهای زیادی در مقابل امنیت شبکه حسگروجود دارد. و مباحث تحقیقاتی مطرح در این زمینه گسترده و پیچیده است.

عوامل پیش بینی نشده : یک شبکه حسگر کارانداز تابع تعداد زیادی از عدم قطعیت هاست. عوامل طبیعی غیر قابل پیش بینی مثل سیل زلزله، مشکلات ناشی از ارتباط بی سیم و اختلالات رادیویی، امکان خرابی هر گره، کالیبره نبودن حسگرها، پویایی ساختار و مسیردهی شبکه، اضافه شدن گره های جدید و حذف گره های قدیمی، جابجایی گره ها بطور کنترل شده یا در اثر عوامل طبیعی و غیره. سؤالی که مطرح است این است که در این شرایط چگونه میتوان چشم اندازی فراهم کرد که از دیدگاه لایه کاربرد شبکه یک موجودیت قابل اطمینان در مقیاس بزرگ دارای کارایی عملیاتی مشخص و قابل اعتماد باشد. باتوجه به اینکه شبکه های حسگر کارانداز تا حدود زیادی بصورت مرکزی غیر قابل کنترل هستند و بصورت خودکار یا حداقل نیمه خودکار عمل میکنند باید بتوانند با مدیریت مستقل بر مشکلات غلبه کنند. از این رو باید ویژگی های خود بهینه سازی خود سازماندهی و خود درمانی را داشته باشند. اینها از جمله مواردی هستند که بحث در مورد آنها آسان ولی تحقق آن بسیار پیچیده است. بهرحال این موضوعات ازجمله موارد تحقیقاتی می باشند .

ساختمان گره

شکل(۸) ساختمان داخلی گره حسگر را نشان می دهد. هر گره شامل واحد حسگر، واحد پردازش داده ها، فرستنده/گیرنده بی سیم و منبع تغذیه می باشد بخشهای اضافی واحد متحرک ساز، سیستم مکان یاب و تولید توان نیز ممکن است بسته به کاربرد در گره ها وجود داشته باشد.واحد پردازش داده شامل یک پردازندة کوچک و یک حافظه با ظرفیت محدود است داده ها را از حسگرها گرفته بسته به کاربرد پردازش محدودی روی آنها انجام داده و از طریق فرستنده ارسال می کند. واحد پردازش مدیریت هماهنگی و مشارکت با سایر گره ها در شبکه را انجام می دهد. واحد فرستنده گیرنده ارتباط گره با شبکه را برقرار می کند. واحد حسگر شامل یک سری حسگر و مبدل آنالوگ به دیجیتال است که اطلاعات آنالوگ را از حسگرگرفته و بصورت دیجیتال به پردازنده تحویل می دهد. واحد کارانداز شامل کارانداز و مبدل دیجیتال به آنالوگ است که فرامین دیجیتال را از پردازنده گرفته و به کارانداز تحویل می دهد. واحد تامین انرژی، توان مصرفی تمام بخشها را تامین می کند که اغلب یک باطری با انرژی محدود است. محدودیت منبع انرژی یکی از تنگناهای اساسی است که در طراحی شبکه های حسگر همه چیز را تحت تاثیر قرار می دهد. در کنار این بخش ممکن است واحدی برای تولید انرژی مثل سلول های خورشیدی وجود داشته باشد در گره های متحرک واحدی برای متحرک سازی وجود دارد. مکان یاب موقعیت فیزیکی گره را تشخیص می دهد. تکنیکهای مسیردهی  و وظایف حسگری به اطلاعات مکان با دقت بالا نیاز دارند. یکی از مهمترین مزایای شبکه های حسگر توانایی مدیریت ارتباط بین گره های در حال حرکت می باشد.

 

 

شکل(۸) ساختمان داخلی گره حسگر

منابع و مراجع :

مقاله جناب آقای علی اسماعیلی .

 

سایت مرکز اخبار فناوری اطلاعات ( ITNA – Information Technology News Agency )

 

سایت مرکز عمران ایران ( مقاله به نقل از خبرگزاری دانشجویان ایران)

 

 

WWW.MEHRNEWS.COM

C. T. Ee، N. V. Krishnan and S. Kohli، “Efficient Broadcasts in Sensor Networks،” Unpublished Class Project Report، UC Berkeley، Berkeley، CA، May 12، ۲۰۰۳٫

[۱] Ian F. Akyildiz، Weilian Su، Yogesh Sankarasubramaniam، and Erdal Cayirci
“A Survey on Sensor Networks” . IEEE Communications Magazine ، August 2002

[2] David Culler، Deborah Estrin، Mani Srivastava، “ Overview of Sensor Networks” .
IEEE Computer Society، August 2004

 

[3] F.L.Lewis، “Wireless Sensor Networks”، John Wiley، New York، ۲۰۰۴٫

 

[4] Nadieh Mohamadi Moghadam،” Different architecture in wireless sensor networks” Master of Science Seminar at Iran university of science and technology، Fall 2005 (in Persian)